一炉三用对开罩式电阻热处理炉的研制

2021-12-22唐来光张碧琰张家新

工业炉 2021年5期

唐来光，钟鸣，张碧琰，卢娇，张家新

（中国联合工程有限公司，浙江杭州310022）

船用柴油机是船舶的心脏，是直接影响船舶工业发展的关键产品。随着我国造船吨位的不断提高，船用柴油机机体和机座外型尺寸大幅度增大，所用钢板的壁厚相差很大，如15万t位船用柴油机机体单件重量达100 t，外型尺寸约宽5.5 m，高5 m，长15 m；每个机体需要拖10根测温热电偶，焊接件最厚的地方达200 mm，最薄的地方只有10 mm；小型的船用柴油机机体长度只有3.5 m；更大的船用柴油机机体重量更重、尺寸更大、加工要求更高焊接后去应力难度增大，如果在热处理过程中不能有效地控制升温速度和炉内温度均匀性，使焊接后的机体和机座残余应力去不干净，高精度加工的安装尺寸就会因残余应力的存在而变形，尺寸得不到保证而影响装配精度，降低了我国造船技术水准，因此船用柴油机厂都迫切需要装备高精度的热处理设备。同时大型柴油机机体和机座每年的生产数量有限，为了兼顾小型柴油机机体和机座的热处理和其它工件的热处理，减少设备重复建造，避免出现“大马拉小车”，造成能源浪费，用户要求一炉多用。为此，我公司积极承担了该热处理工程的研制工作，经过两年多时间，完成了大型对开罩式电阻炉，为大马力柴油机机体及机座等产品的焊后热处理提供了设备保证。

该热处理炉工程的建成，为我国造船行业完成美国、德国、波兰、丹麦、挪威及韩国等国大马力柴油机机体及机座等产品焊后热处理提供了设备保障。

1 结构特点

该工程的一炉三用、大型导流装置技术、大功率悬挂移动供电技术、大型呈“Π”活动炉体与炉顶16台大功率高速循环风机旋转动频率消除共振、低中温控温精度、自控操作水平、节能效果都采用了国际先进技术。大型对开式热处理炉总图见图1。

图1 大型对开式热处理炉总图

1.1 主要参数

最大热处理工件尺寸/mm×mm×mm：15 000×5 200×5 000（长×宽×高）

最大单件工件重量/t：100

整体炉内膛尺寸/mm×mm×mm：16 080×6 400×6 000（长×宽×高）

小炉内膛尺寸/mm×mm×mm：4 040×6 400×6 000（长×宽×高）

大炉内膛尺寸/mm×mm×mm：12 040×6 400×6 000（长×宽×高）

退火工艺温度/℃：600±7

整体炉安装功率/kW：2 520

小炉安装功率/kW：840

大炉安装功率/kW：1 960

炉气循环系统/套：16

升温速率/℃·h-1：80

大型低中温热处理炉从传热角度讲，主要靠对流传热；当炉膛宽度达到一定时，靠炉子内部自身传热，很显然是达不到要求的，必须加强炉内气流循环，并有效地控制它，围绕这个中心，我们进行了两年多的技术攻关。

1.2 一炉三用

15万t位以上船用柴油机机体目前订货数量还不是很多，而且大小吨位的材料也不同。为了节约能源和保证大、中、小型产品热处理质量，研制一台具有大、中、小型不同炉膛，中、低不同炉温等功能的炉子，既可以保证热处理质量，又可以减少重复投资。大的活动炉体采用电动移动，与中间炉门构成中型炉子；小的活动炉体采用手动移动，与中间炉门构成小型炉子；大的活动炉体与小的活动炉体构成大型炉子；这其中炉体与炉门、炉体与炉体之间采用电动推杆压紧，炉门上电热元件供电采用自动接插装置。这么大一炉三用的中低温电阻炉在国内属于首创，在国外也没有相同炉型的一炉多用的炉子。

1.3 大功率悬挂移动供电装置

大型移动罩式电阻炉炉体供电功率大，电缆多（95根，外径Ф22 mm，又有一定的硬度），并且移动距离长。因此电缆的布置、移动的方法都有很大的技术难度，目前国内还没有这么多电缆线移动设备。

经过反复试验不断改进，最后研制出双轨、多层、轮式架空悬挂电缆移动装置。此移动装置可随炉体移动而使电缆灵活伸缩，各根电缆之间无相对摩擦和挤压，移动中由牵行钢索受力，供电系统安全可靠。

这种结构既能克服移动过程中电缆线磨损，又保证了炉子大功率安全供电，从而打破了大功率供电国内只能靠插接结构（对炉子安装要求很高，稍有偏差，供电就不能保证）的现状，属于国内首创。

1.4 大型炉气循环搅拌装置

750℃以下的电阻炉，其辐射传热和对流传热效率都很低，为了提高炉温均匀性，增加对流传热效果，炉内设置16套高温炉气搅拌装置，强制炉内气体循环。

高温炉气搅拌装置由耐热钢叶轮、高温电机、风冷轴装置、进口轴承、炉内耐热不锈钢配风板和导流罩等组成。

中、低温电阻炉搅拌装置的技术关键点是：合理布置配风板和导流罩，解决风机高速旋转振动频率与炉体钢架产生共振问题，解决风机轴冷却问题。

1.4.1 高温循环风机的配风板、导流罩

该炉炉膛宽6.4 m，属超宽炉膛。若采用炉顶单排风机，两侧出风，在同样风量、功率情况下,风机效率低，风压低，造成导流罩出口风速低，炉膛下部中心区域得不到气流搅拌，产生温差。所以采用炉顶双排风机布置方式，单侧出风，这种结构在国内工业炉中首次使用。

为解决炉膛及工件在加热过程中经常产生的上下温差，本炉导流罩出口直接拉到炉台高度。但在实际的使用过程中，这么大面积的导流装置（高度达6 m、长度达16 m）温度高低变化引起的膨胀差异，容易使导流装置变形，因此采用了固定结构。

1.4.2 循环风机的确定

大功率高温循环风机的关键问题是：在同样的体积流量下，高温和低温时，其重量流量将相差几倍。若不注意的话，按高温时的风量，则低温起动时风机过载极易烧坏电机；若按低温时的风量，则需要配备相当大的电机，造成设备庞大，运行成本高。

为此，采用了双速高温风机，即在低温时采用低速运转，当炉温升到一定温度时自动切换为高速运转。在同样的流量和搅拌效果下，电机功率可减少一半，循环风机在中低温情况下都可以安全使用，减小了循环风机的功率，从而也为炉子钢结构、炉子共振等问题的解决提供基本保证。国内大多采用大功率循环风机（风量50 kW左右）来实现。

1.5 大型活动钢结构稳定性及其与风机旋转振动频率产生共振问题

考虑到大型工件摆放平稳、吊装方便，工程必须采用炉台固定、炉体移动结构。大型钢结构移动的稳定性是炉体移动平稳安全、左右炉体的对接准确、连接密封可靠的最重要保证，既要轻巧，更要可靠。

大型活动钢结构炉体呈“п”字形，两侧下端装有轮子在轨道上移动，属无固定支撑“自由端”，上部靠炉架梁柱与梁固接，属活动铰接，整个炉体在移动中很难达到三维稳定。这种状态找不出合适的数学模式来解决，而且钢结构上还要悬挂80多t的钢框和耐火材料、导流罩及电热元件。

在大型移动罩式炉体研制中经过反复研究，理论上建立了“弹性变形量最大顶端位移计算”的反推法来确定钢骨架的最小刚性。实际设计、制造中找到大型钢结构失稳的危险点数据，确保了可靠性。对三向抗扭稳定性问题，采用组合抗扭结构系统。除采用侧向桁架结构支撑抗扭外，还利用炉顶平台的抗扭刚性结构来补充框架结构刚性，从而保证炉子的稳定性。

炉顶钢架上装有16套高速风机，每个风机功率：13/16 kW，转速：1 450 r/min，风机叶轮直径610 mm。风机在高速运转时产生的振动频率，一但和炉体钢架的固有频率相近，必然产生共振现象，其后果十分严重。所以，在设计中必须通过计算机系统计算风机在高速运转时产生的振动频率和炉体钢架的固有频率，在制造和安装调试中必须有调整方案。

高温循环风机额定转速经风机测试得到，允许与理论计算有一定的偏差；再根据计算机初步计算大、小型移动罩式炉体的钢结构固有频率。钢结构固有频率低于风机运行时震动频率，才可避免产生共振现象，保证炉体的稳定性。同时风机的启动、停止方式也与共振现象有关，所以为减少共振的时间和影响，16台风机采用每次两台，错开分步启停，使共振时间错开或抵消，每步间隔的时间由PLC程序控制，在现场调试时根据具体情况再进行调整参数。

这种综合性的技术和炉体结构结合在一起，解决了大型移动炉体与高速旋转风机产生的共振现象，突破了大型炉子的技术难点，为大型电阻炉建立了新的平台。

1.6 计算机集散式控制系统

除上述设备采取的技术措施来保证炉温均匀性外，计算机集散控制系统也是保证炉温均匀性必不可少的技术支撑。

计算机集散式控制系统的上位机硬件采用目前国内稳定性最好的研华工控机和较高的计算机配置。上位机软件把图象、语言、文字等先进的多媒体技术和通讯、模糊—PID控制技术融合在一起，具有良好的人机交互、参数采集、动画显示、语音报警功能，可对热处理生产工艺曲线进行自动计算、存储、在线修改和显示。计算机彩色显示器可显示炉内工况图、工艺曲线图、实时参数表和历史数据。

计算机随时采样各控温热电偶和工件热电偶的温度，用不同颜色的曲线实时显示和保存，平时可查看各炉次工作的记录情况。在软件上还具有断电后智能恢复控制的功能。本系统同时具备计算机—仪表两级控制和计算机独立控制两种控制方式。

该炉是一炉三用，有三种工作方式（全炉、中炉、小炉），如果编制三个程序来分别控制该三种工作方式，操作人员在操作上容易产生误操作。考虑这一点，我们把三种工作方式的控制程序整合到一个程序当中，用一个程序来控制三种工作方式。这种控制模式加上精细的中低温控制在工业炉中综合应用在一起还是第一次。

1.7 过程自动化系统

本设备设置一套过程自动化系统（见图2），系统的运行参数、设备监测参数等都具备与MES通讯功能。该过程自动化系统可以实时接收上级MES发送的工件信息和工艺参数等数据，分析处理后，将作业指令发送至设备PLC系统，同时采集设备PLC系统的运行、状态、故障信息等数据，对设备的参数、状态进行分析、判断。

图2 自动化系统网络示意图

各部分功能及配置说明如下：

①热处理设备主控PLC。热处理设备控制系统的西门子S7-300系列PLC具备以太网接口，主要用于完成热处理设备直接的数据采集和控制输出。PLC控制程序需要进行升级完善才能使热处理设备具备运行前及运行中的故障自诊断功能及燃气流量、开炉时间、停炉时间等原始统计数据。

②本地工控机。热处理设备的控制系统配置两台本地工控机，主要用于热处理设备的现场监视和操作，并具备一定的数据查询和打印功能。操作系统采用Window xp 32位中文旗舰版，S7-300 PLC编程软件采用Simatic Step 7 v5.5 sp4，上位机SCADA软件采用WinCC 6.2 sp3。本地工控机通过以太网方式与PLC进行通讯。

③自动化系统服务器。在网络中两台服务器配置为同时在线，数据相互备用。主要用于热处理设备的生产过程远程监控及PLC程序、监控软件的集中管理，并且最重要的是作为各远程Web客户端的服务器端。安装操作系统Windows Server 2012 R2，该系统采用现今主流的C++编制，使用当前先进的Oracle数据库，实时的接收上级系统发过来的工件信息和工艺数据，并实时的发送当前设备的各类信息。

作为信息化工程的重要开放接口部分，可以与工厂的二级设备系统和三级生产管理系统MES连接，进行数据交换。

④Web客户端。指A地项目和B地项目的已经联入局域网的若干计算机。通过选择进入公司信息平台的相应链接，这些计算机将连接到监控服务器的WebNavigator或DataMonitor服务器端发布的Web页面，并一次性自动安装相应的客户端程序。在获取权限后，局域网内的多台计算机可以同时以相应的客户端方式访问上述发布的Web页面，查看项目A和项目B的各热处理设备的SCADA界面，包括系统流程、工艺参数、控制参数、炉膛温度曲线、炉膛温度报表、工件温度曲线、工件温度报表、报警记录及能耗统计等画面。并可以设置时间片段的方式检索和打印炉膛温度曲线、工件温度曲线、炉膛温度报表、工件温度报表、故障记录及用户事件等报表，做到很直观地实现对各热处理设备生产过程的在线实时监控，跟踪生产动态。

⑤Internet网络。即普通意义上的Internet网络。为今后工业互联网预留接口。

2 运行效果

2.1 运行性能指标

空炉升温时间为2.5 h，空炉损耗功率为3 600 kW，空炉温度均匀性测试达到±5℃。工件试烧温度记录如图3所示。

2.2 经济效果

该工程正式运行以来，该厂的柴油机机体如6S50MC、6R60MC、7S60MCC等外汇创收项目均在此工程中进行热处理，全部达到热处理高标准要求，热处理后焊缝未出现裂纹情况，机体强度达到技术要求。处理效果非常理想，一年来反修率为零，有效地降低了制造成本，提高了生产效率，使该厂柴油机的制造上了一个新台阶，提高了国际竞争力。

该热处理炉使用一年来，共处理178炉次，处理工件16 040 t，共3 092 h，完全能满足高精度工艺要求。该炉使用情况好，未出现控制及机械方面的故障。该炉全自动化，操作方便，控温精确炉内各点温差≤±6℃，节能效果显著，达到国家特等炉能耗标准。